Comment obtenir un échantillon analogique à dérive zéro et le maintenir pendant des heures?

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Ce soi-disant opamp "zéro dérive" tombe .001V / sec, à la température 85C avec un plafond de 1 uF. Si je lis correctement la spécification, c'est 3,6 V / heure!

Taux de chute

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf398-n.pdf

Existe-t-il une méthode pour stocker un V à faible courant pendant environ 5 heures avec dérive ou affaissement dans ma résolution souhaitée d'environ 250 ppm, ou 12 bits équivalents?

"Faible courant" signifie échelle mA ou uA.

Le taux d'échantillonnage est compris entre une fois par seconde et une fois toutes les 5 heures.

Je préfère rester dans le domaine analogique, car je veux explorer et développer mes connaissances analogiques.

La solution doit être pratique et utiliser des composants couramment disponibles

Les solutions numériques sont correctes, mais devraient être sans code, donc elles sont accessibles aux non-codeurs, et ne nécessitent pas d'ordinateur pour être implémentées, donc elles sont accessibles aux personnes qui ne possèdent pas d'ordinateur (comme les adolescents économiquement défavorisés que je conseille) .

Ne pas demander de numéros de pièces spécifiques, juste la méthode de base.

mise à jour:
Le fabricant a confirmé que mon estimation d'affaissement par heure est correcte. Selon le fabricant, l'affaissement est largement influencé par le courant de polarisation d'entrée de l'amplificateur tampon et par toute fuite pouvant survenir à travers le commutateur - pas seulement une fuite normale de condensateur. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

entrez la description de l'image ici

Johny Radio
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9
Si ADC est une option, numérisez vos données et stockez-les sur une puce flash pendant des années.
Vladimir Cravero
2
@JohnyRadio résumant les suggestions d'autres utilisateurs, peut-être que le stockage de la valeur analogique du signal n'est pas la chose la plus intelligente à faire, cela ne signifie pas que cela ne peut pas être fait. Mais la raison de ces remarques est que le fait d'imposer des contraintes sans donner de raison passe pour un moyen d'amener les gens à reconnaître ce que vous avez en tête. Non pas que ce soit le cas, mais essayez de motiver vos contraintes.
clabacchio
3
À quoi ça sert? Je ne pense pas que ce soit possible en analogique pur, à moins que vous ne remplissiez complètement Heath Robinson et que vous
n'incluiez
3
1.) Ce n'est pas (juste) un opamp. 2.) Le statisme provient de la décharge du condensateur. Le condensateur se déchargera de lui-même - ils ont un courant de fuite et avec suffisamment de temps se déchargeront complètement. L'ampli-op de cette puce doit également tirer un (petit) peu de courant du condensateur de maintien - cela déchargera également le condensateur au fil du temps. Cette puce n'est pas destinée à ce que vous essayez de faire. Il est également plus ancien que la saleté. Il recommande d'utiliser un LM3905 à un moment donné. Ils étaient vieux quand j'étais enfant au début des années 80.
JRE
3
Quel problème essayez-vous exactement de résoudre? Cela ressemble à un problème XY .
Chupacabras

Réponses:

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Eh bien, il semble y avoir des solutions, même si c'est un peu une explosion du passé ...

A Survey of Analog Memory Devices (à partir de 1962)

"Le transpolariseur, un analogue électrostatique du transfiuxeur le plus connu ..."

entrez la description de l'image ici

Pour une solution plus moderne, un micro avec ADC et DAC semble la voie à suivre. De plus, contrairement aux solutions analogiques, il est beaucoup plus susceptible d'être stable avec la température, ce qui est toujours un bon bonus ...

À propos des grandes capitalisations: il y a plusieurs problèmes.

  • La valeur du condensateur dépend de la température, donc avec une quantité constante de charge dans votre bouchon, la tension variera avec la température. L'effet sera minime, ou énorme, selon le type de capuchon.

  • La fuite de condensateur dépend beaucoup de la température (pour l'électrolyse)

  • X7R est un microphone piézoélectrique.

  • L'absorption diélectrique signifie que vous chargez votre capuchon, puis le déconnectez, attendez un peu, puis la tension dessus est maintenant différente! Et cela dépend de la tension qui était là avant de la charger (ou de la décharger). De plus, pour les grandes capsules destinées au découplage de l'offre, l'effet est absolument inoffensif, donc personne ne s'en soucie, et donc il n'y a pas de spécification. Je ne sais pas si cela dépend de la température et du vieillissement, mais il n'y a aucune raison pour que ce ne soit pas le cas. Vous n'obtiendrez qu'une spécification utile pour les bouchons destinés aux intégrateurs de haute précision et des trucs comme ça.

Je me souviens d'avoir mesuré des fuites sur un bouchon Panasonic FR 470µF 6V3. Je l'ai chargé à 5V pendant quelques minutes, puis l'ai mesuré toutes les quelques minutes. La tension chuterait rapidement à cause de DA, puis elle s'est stabilisée autour de 4V. J'ai laissé le capuchon sur une étagère pendant une semaine et j'ai mesuré à nouveau. La fuite calculée était dans les nanoampères, mais il faudrait la maintenir à la tension cible pendant un certain temps (comme au moins plusieurs heures sinon plusieurs jours) afin de surmonter l'absorption diélectrique ... donc ce serait complètement inutile dans cette application .

peufeu
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Je dois ajouter que j'aimerais y parvenir avec des composants couramment disponibles. Les majuscules semblent être la mauvaise direction pour les raisons que vous avez mentionnées, à moins qu'il n'y ait un moyen ou un type qui ne s'affaisse pas.
Johny Radio
2
A voté pour "transfluxor" :)
pjc50
Je pense que l'absorption diélectrique est une charge résiduelle qui se cache dans le capuchon, même lorsque le capuchon mesure 0 V. Correct?. Les capuchons en polypropylène sont moins sensibles, mais les capuchons semblent toujours interdits.
Johny Radio
2
j'apprécie les informations dans cette réponse, mais je suis confus par tous les votes positifs - il ne semble pas contenir de solution analogique.
Johny Radio
1
Cette réponse semble obtenir le plus de votes pour la photo amusante. Il existe des solutions pratiques poussées par cette réponse en raison d'une photo amusante.
Johny Radio
17

Obtenez un potentiomètre motorisé. potentiomètre motoriséPour échantillonner, utilisez un opamp pour ramener la différence à zéro, pour ne pas la déplacer. La précision sera probablement assez faible, mais bon, pas de dérive.

τεκ
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Excellente idée, mais soucieux de la précision et de l'usure mécanique.
Johny Radio
1
Grand calibrage ...
AK
Et si vous divisiez le signal en plusieurs potentiomètres pour une précision améliorée? Oh, c'est vrai, cela deviendrait tellement ridiculement complexe que vous devriez plutôt utiliser un ADC.
mât
@Mast: plusieurs potentiomètres connectés dans la boîte de vitesses avec un seul moteur? Ça marcherait.
AK
@Mast semble qu'un seul pot puisse atteindre la précision souhaitée.
Johny Radio
10

Avec des composants analogiques standard, la réponse serait non, pas vraiment.

Bien sûr, avec des condensateurs ou d'autres éléments de stockage suffisamment grands, vous pouvez maintenir le niveau à l'intérieur d'un différentiel souhaité sur une longue période, mais il y aura toujours des pertes au fil du temps. En outre, le fait d'extraire des informations du dispositif de stockage supprime l'énergie de ce dispositif.

Théoriquement, avec une boucle supraconductrice, convenablement isolée de tout champ magnétique externe, vous pourriez établir un courant indéfini. Mais encore une fois, mesurer ce courant impliquerait l'élimination de l'énergie.

UNE ADDITION

Une autre alternative pourrait être de magnétiser "en permanence" certains matériaux ou substances en présence d'un capteur à effet Hall. Avec le bon matériel, vous pouvez stocker ce "niveau" pendant très longtemps.

Mais, bien sûr, il serait beaucoup moins cher et plus simple de le faire numériquement.

Cependant, vous n'avez pas besoin d'un micro.

Ce qui suit est un circuit hybride analogique / numérique de détection et de maintien de crête.

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

Le circuit utilise un DAC suiveur pour faire pivoter un niveau de tension à partir d'un compteur pour correspondre à la tension sur le condensateur. Une fois que la valeur DAC correspond, le comptage s'arrête et la tension de sortie est maintenue tant que l'alimentation est allumée ou jusqu'à ce que le signal CLEAR soit envoyé. Le capuchon n'a désormais plus besoin de maintenir le niveau de crête aussi longtemps qu'il faut au compteur pour atteindre cette tension. Évidemment, la granularité de la sortie dépend du nombre de bits dans le compteur / DAC.

Un véritable circuit "Sample and Hold" nécessiterait une entrée supplémentaire comme indiqué ci-dessous, ou une certaine forme de comparateur de fenêtre pour détecter quand le compteur est à un pas de la valeur.

schématique

simuler ce circuit

Si la vitesse de balayage du compteur / DAC est plus rapide que la vitesse de balayage de votre signal d'origine, vous n'avez pas du tout besoin de l'échantillonneur analogique.

Trevor_G
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1
@JohnyRadio voir la première phrase.
Trevor_G
1
@JohnyRadio peut-être, mais là encore, vous n'avez pas posé de question spécifique avec des exigences spécifiques.
Trevor_G
1
@JohnyRadio de toute façon, j'ai mis à jour ma réponse avec pour vous montrer une façon hybride analogique / numérique de le faire.
Trevor_G
1
@JohnyRadio Sample est le signal numérique qui permet au S&H de maintenir le niveau analogique actuel. Je n'étais pas sûr de votre question initiale si vous parliez d'un vrai S&H ou d'un Peak Detector, alors j'ai ajouté les deux. le circuit montré est un schéma de principe, ce que vous mettez dans les blocs dépend de vous.
Trevor_G du
1
@JohnyRadio oui, vous pouvez probablement trouver le tout sur une seule puce. Le compteur / DAC, je veux dire.
Trevor_G
10

Bien que beaucoup plus facile en numérique, vous pouvez certainement le faire en analogique avec une sélection minutieuse des pièces.

Essentiellement, vous avez besoin de trois composants hautes performances:

  • Un condensateur à faible fuite
  • Un commutateur analogique à faible fuite
  • Un ampli-op à faible courant de polarisation d'entrée pour votre tampon de sortie

Oubliez les condensateurs en céramique conventionnels si vous prévoyez de les tenir pendant des heures. Votre meilleur pari est un condensateur à film de polypropylène. Bob Pease a écrit un excellent article sur la caractérisation de leur taux de fuite . C'est de l'ordre des millivolts par jour, ce qui est probablement suffisant pour votre application.

Le commutateur est une partie souvent négligée de cela. Vous constaterez que même les meilleurs commutateurs analogiques à semi-conducteurs du commerce présentent des fuites de l'ordre de quelques picoamps. Un taux de fuite de 10 pA signifie que pour un plafond de 1 uF, vous drainerez 180 mV sur une période de cinq heures. Cela peut ou peut ne pas être acceptable pour vous. Si vous devez faire mieux, une meilleure solution est un relais Reed, qui a des fuites essentiellement négligeables car il crée en fait un espace d'air entre les contacts.

En termes d'opamps à faible courant de polarisation d'entrée, il existe plusieurs options disponibles. J'ai récemment utilisé le LMP7721 de TI sur une conception à haute impédance. Il a un Ib maximum de 20 fA à température ambiante et 900 fA à 85 ° C.

Ainsi, nous pouvons facilement imaginer une conception qui incorpore un capuchon en polypropylène, un relais reed et un tampon à faible Ib. Imaginons que nous utilisons:

Avec les composants ci-dessus à température ambiante, vous auriez les contributions d'erreur suivantes après 5 heures:

  • Un affaissement de 4,5% de la constante de temps RC du capuchon.
  • Dérive essentiellement négligeable du relais Reed
  • Dérive essentiellement négligeable du tampon.

Cela suppose que vous disposez d'une configuration basse impédance appropriée (par exemple: retrait du masque de soldat de la carte, utilisez un anneau de protection entraîné).

De plus, la valeur RC pour le capuchon en polypropylène est la pire des valeurs: le monde réel est probablement meilleur. Correction: c'est une valeur typique. Cependant, comme Pease l'a trouvé dans l'article lié ci-dessus, un capuchon en polypropylène après trempage peut avoir une constante de temps de l'ordre des années. Cela nécessitera donc une certaine expérimentation et probablement un binning.

Il est donc certainement possible de le faire en analogique, bien que ce ne soit probablement pas pratique lorsque l'alternative est de numériser la sortie.

Peter
la source
Je ne sais pas d'où vous avez obtenu cette constante de temps RC de 40000 s. La fiche technique indique> 5000 s. Les fabricants de condensateurs à film semblent éviter de classer quoi que ce soit à une résistance d'isolation supérieure à 5000 mégohms-microfarads (secondes). Voici un capuchon de film de 0,47uF, 63V avec la même note: digikey.com/product-detail/en/kemet/RSBDC3470AA10J/399-6045-ND/…
τεκ
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La page 11 de la fiche technique présente une courbe RC / température: imgur.com/eHQjXej . Généralement, les fabricants seront réticents à garantir une résistance d'isolement extrêmement élevée même si le capuchon peut le faire. Comme Pease l'a trouvé dans l'article lié, un bouchon en polypropylène à température ambiante après trempage peut avoir une constante de temps RC de l'ordre de dix ans. Bien sûr, cela se produira avec les fils dans l'air (car les fuites de surface de la carte éclipseront cela), et ne peuvent certainement pas être garanties avec chaque capuchon qui se détache de la ligne.
Peter
Vous avez raison cependant, cette courbe n'est pas une valeur du pire des cas, c'est une valeur typique. J'ai mis à jour ma réponse en conséquence.
Peter
J'en ai trouvé d'autres qui ont une résistance d'isolation nominale plus élevée jusqu'à 30000 secondes, mais je suis définitivement d'accord pour dire que les résultats réels sont bien meilleurs.
2017
Également quelque peu pertinent, un autre article de Bob Pease sur les configurations de test de mesure de courant femtoampère: electronicdesign.com/test-amp-measurement/…
Peter
6

J'ai vu cela avec un relais Reed, un ampli opérationnel AD545 (il y en a de meilleurs maintenant) et un grand condensateur en polypropylène de 100 volts. Le fabricant de planches peut effectuer des coupes sur la planche qui fonctionnent mieux que les anneaux de garde seuls. Le relais n'était PAS du type moulé à l'époxy mais plutôt du type "cadre ouvert". L'ampli-op était dans une boîte, mais ce ne sera pas possible de nos jours.

Cette plate-forme était stable pendant des jours.

Robert Endl
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1
CETTE. Très intéressant, mais j'ai besoin de mieux comprendre. Donc, le V du plafond, plutôt que sa valeur, est-il la clé? Oui, j'ai lu que les polyprops présentent le moins d'affaissement de tous les types de casquettes - il semble que ce soit la sauce secrète ici. Je ne vois pas comment le commutateur affecterait l'affaissement, car c'est sur l'entrée - il y a une fuite de capuchon sur l'entrée? Beaucoup de thx.
Johny Radio
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Le 100 volts fait partie de la clé. La taille dont je ne me souviens pas, mais elle était grande. Une première version utilisait du polyester mais le PP était meilleur. Le téflon pourrait être mieux mais pas beaucoup. Un commutateur à semi-conducteurs a une fuite, bien que vous puissiez en obtenir de meilleurs maintenant. Cette conception date des jours avant les micros.
Robert Endl
-2

Solution 1

Si vous connaissez la pente de fuite de votre capuchon, vous pouvez à plusieurs reprises «compléter» le capuchon à des intervalles temporels, pour compenser l'affaissement.

Cependant, la pente est probablement non linéaire, donc la quantité de top-off serait non linéaire. Il est possible que le montant soit un simple pourcentage du niveau de charge du plafond, ce qui simplifierait les choses.


Solution 2

Si vous avez accès à une installation de fabrication de puces, vous pourrez peut-être reproduire cette cellule de stockage analogique non volatile à 3 transistors ésotérique avec une résolution effective de 14 bits. injection et effacé au moyen d'un tunnel d'oxyde de grille. Petite taille et faible consommation d'énergie. "

https://pdfs.semanticscholar.org/ed68/f94ad3d4bfad1126e83d152e23e6e6e0e495.pdf

Ou cette technique, en utilisant l'EEPROM comme périphérique de stockage analogique:

https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/PUBLICATIONS/Hu_papers/Hu_JNL/HuC_JNL_194.pdf


Solution 3

Pas analogique, vous pouvez utiliser une puce ADC dédiée directement sur un loquet. Cela pourrait éviter d'utiliser un MCU, qui maintient la solution sans code, par l'OP.

Vous devrez peut-être utiliser diverses puces logiques, horloges ou compteurs discrets pour que le verrouillage fonctionne.

Cette puce Maxim, par exemple, fonctionnerait sans MCU (pas une approbation de produit).

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1041

Voici un autre exemple d'utilisation d'un ADC sans MCU. Ce système est beaucoup plus complexe que ce dont l'OP a besoin. Par exemple, en tant qu'enregistreur audio, ses exigences de fréquence d'échantillonnage et de stockage dépassent de loin les besoins de l'OP.

http://ultimationee.blogspot.com/2011/09/digitally-recording-and-playing-back.html


Solution 4

Vous pouvez utiliser des potentiomètres numériques peu coûteux et couramment disponibles. Ils sont disponibles avec un stockage persistant et sont simples à utiliser.

Cependant, leur résolution n'est pas très élevée, allant de 100 à 256 pas. Vous pouvez utiliser 5 en série pour obtenir une résolution efficace de 12 bits.

Pourrait être piloté directement à partir d'un ADC sur l'entrée, en évitant un MCU. Donc, fondamentalement, vous les utiliseriez comme verrou. Un verrou pourrait être plus facile.

Ce lien n'est pas destiné à approuver un produit ou un distributeur

https://www.mouser.com/Mobile/Semiconductors/Digital-Potentiometer-ICs/_/N-4c498/

Johny Radio
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clabacchio